Einführung in RF- und Wireless-Kommunikationssysteme

Dieses Tutorium gehört zur Reihe „Grundlagen der Messtechnik“ (National Instruments Measurement Fundamentals). Mit jedem Tutorium aus dieser Reihe erhalten Sie theoretisches Hintergrundwissen und praktische Beispiele zu einem spezifischen Thema bezüglich gängiger Messanwendungen. Dieses Tutorium umfasst eine Einführung in die RF-, Wireless- und Hochfrequenztechnik und in entsprechende Systeme.

Eine vollständige Liste der Tutorien finden Sie auf der Hauptseite Grundlagen der Messtechnik. Weitere RF-Tutorien werden auf der Unterseite RF- und Kommunikationsgrundlagen aufgeführt.

Marconi und die ersten Wireless-Übertragungen

Radio Frequency (RF) und Wireless-Technologien gibt es bereits seit über einem Jahrhundert. Alexander Popov und Sir Oliver Lodge waren dabei die Wegbereiter für die drahtlosen Funkentwicklungen von Guglielmo Marconi Anfang des 20. Jahrhunderts. Das bekannteste seiner Experimente fand im Dezember 1901 statt, als er erfolgreich Morse-Codes von Cornwall in England nach St. John’s in Kanada übertrug.

Was ist RF?

RF selbst wurde zum Synonym für Wireless- und Hochfrequenzsignale und umschreibt alle Signale vom AM-Funk zwischen 535 kHz und 1605 kHz bis hin zu Computer-LAN bei 2,4 GHz. Allerdings bezog sich Radio Frequency typischerweise auf Frequenzen von einigen wenigen kHz bis etwa 1 GHz. Heutzutage umfasst RF aber noch viel mehr, wie man am Beispiel der Mikrowellen mit Frequenzen von bis zu 300 GHz sehen kann. In den zwei folgenden Tabellen werden die verschiedenen Nomenklaturen für die Frequenzbänder kurz dargestellt. Die dritte Tabelle geht auf einige Anwendungen ein, die in jedem der verschiedenen Frequenzbänder möglich sind.

[+] Enlarge Image
Tabelle 1: Zuweisung der Frequenzbänder

In Tabelle 1 ist eine Beziehung zwischen Frequenz (f) und Wellenlänge (λ) zu erkennen. Eine Welle bzw. eine Sinuskurve kann komplett durch ihre Frequenz bzw. ihre Wellenlänge beschrieben werden. Diese zwei Größen verhalten sich umgekehrt proportional und stehen in Beziehung zur Lichtgeschwindigkeit durch ein bestimmtes Medium. Das Verhältnis in einem Vakuum bzw. in der Luft ist:

wobei C für die Lichtgeschwindigkeit steht. Mit zunehmender Frequenz verringert sich die Wellenlänge. Eine 1-GHz-Welle hat etwa eine Wellenlänge von 30 cm und eine 100-MHz-Welle hat eine Wellenlänge von ca. 3 m.

Tabelle 2: Zuweisung der Mikrowellenfrequenzbänder (Buchstaben)

[+] Enlarge Image

[+] Enlarge Image
Tabelle 3: Frequenzanwendungen und -zuweisungen in den USA

Die RF-Messmethodik kann in der Regel in drei Hauptkategorien unterteilt werden: Spektralanalyse, Vektoranalyse und Netzwerkanalyse. Spektrumanalysatoren, die grundlegende Messfunktionen bereitstellen, sind der gängigste Typ von RF-Messgeräten für viele universelle Anwendungen. Damit kann der Anwender Informationen zu Leistung im Vergleich zur Frequenz einsehen und manchmal analoge Formate wie AM, FM und PM demodulieren.

Zu den Vektormessgeräten gehören Vektor- oder Echtzeitsignalanalysatoren und -generatoren. Diese Messgeräte analysieren und erzeugen Breitbandkurven und erfassen bzw. generieren Informationen zu Zeit, Frequenz, Phase und Leistung relevanter Signale. Sie sind viel leistungsfähiger als Spektrumanalysatoren und bieten eine ausgezeichnete Modulationssteuerung und Signalanalyse.

Netzwerkanalysatoren hingegen werden gewöhnlich für die Durchführung von Messungen der Streuparameter sowie zur Produktcharakterisierung an RF- oder Hochfrequenzbauteilen verwendet. Bei Netzwerkanalysatoren handelt es sich um Messgeräte, die sowohl die Erzeugung als auch die Analyse an mehreren Kanälen abstimmen. Sie sind allerdings kostenaufwändiger als Spektrumanalysatoren und Vektorsignalgeneratoren/-analysatoren.

Höhere Frequenzen nutzen

Anhand Tabelle 3 lässt sich feststellen, dass das Frequenzspektrum sehr zerstückelt und dicht gedrängt ist. Daraus ergibt sich einer der Gründe, weshalb NI Anwendung ständig in immer höhere Frequenzen legt. Andere Gründe sind die Effizienz bei der Übertragung, Anfälligkeit gegenüber einigen Formen des Rauschens sowie die Größe der erforderlichen Antenne. Die Antennengröße hängt gewöhnlich mit der Wellenlänge des Signals zusammen und beträgt in der Praxis normalerweise ¼ Wellenlänge.

Daraus ergibt sich eine sehr interessante Frage. Gewöhnlich werden Daten bei viel niedrigeren Frequenzen strukturiert und einfach dargestellt. Wie können Daten dargestellt oder physikalisch in diese höheren Frequenzen übertragen werden? Der für den Menschen hörbare Bereich liegt zwischen 20 Hz bis 20 kHz. Nach dem Nyquist-Theorem können diese Daten durch ein Abtasten bei 40 kHz oder einer genaueren Rate vollständig dargestellt werden. Aus diesem Grund werden beispielsweise Audio-CDs bei 44,1 kHz abgetastet. Mobiltelefone hingegen arbeiten bei etwa 850 MHz. Wie ist das möglich?

Frequenzverschiebung durch Frequenzmischung

Ein Großteil der Untersuchung von RF- und hochfrequenten Messungen geschieht im Frequenzbereich. Es besteht eine Dualität zwischen den Funktionen des Zeitbereichs und denselben Funktionen, die im Frequenzbereich dargestellt werden. Ausgehend vom Beispiel des menschlichen Hörbereichs stellt Abbildung 1 das Ziel der Frequenzverschiebung dar, um über Mobilfunkfrequenzen übertragen zu können. Die üblichste Art der Frequenzverschiebung wird Mischung genannt und entspricht der Multiplizierung eines Signals um ein sinusförmiges Signal. Die folgende trigonometrische Gleichung verdeutlicht dies:

Daher erhält man durch Überlagerung zweier Sinuskurven sowohl die Summen- als auch die Differenzfrequenz. So kann durch Auswahl des passenden Wertes von das gesamte Signal in einen neuen Frequenzbereich (in einen höheren oder niedrigeren Bereich des Spektrums) verschoben werden. Jedes Signal kann auch als die Summe sinusförmiger Signale von unterschiedlichen Frequenzen dargestellt werden. So wendet die Verschiebung eines Signals einfach die „Multiplikation“ auf alle seine sinusförmigen Bestandteile an.

[+] Enlarge Image
Abbildung 1: Frequenzverschiebung des menschlichen Hörbereichs in den Mobilfunkbereich

HINWEIS: Der Prozess, hörbare Töne in den Mobilfunkfrequenzbereich (850 MHz) zu übertragen, umfasst mehr als ein einfaches Mischen. Er beinhaltet auch das Kodieren und Modulieren der Daten sowie eventuell mehrere Mischstufen, um das Signal gegenüber Rauschen und anderen Beeinträchtigungen resistenter zu machen.

Relevante NI-Produkte

Kunden, die sich für dieses Thema interessierten, haben sich auch über folgende Produkte informiert:

• RF- und Wireless-Prüfanwendungen
• NI 5660 – RF-Vektorsignalanalysator (2,7 GHz)
• NI 5671 – RF-Vektorsignalanalysator (2,7 GHz)
• RF-Schaltmodule von NI
• NI Spectral Measurements Toolkit Software
• NI Modulation Toolkit Software

1 ratings | 3.00 out of 5

Read in German English Japanese | Print | PDF